作者：句朝暉北京積水潭醫院

生長和分化因子5（GDF5）是骨關節炎（OA）的主要危險位點，OA是最常見的關節疾病，其特征是關節軟骨逐漸喪失、軟骨下骨重塑、軟骨骨贅形成和滑膜炎?？缭?30個大的常見變體?kb間隔可導致髖關節和膝關節OA的風險。一個研究充分的SNP位于GDF5基因的5′UTR（rs143383），OA易感性等位基因導致GDF5表達降低。
Gdf5在關節形成過程中起著重要作用。它是胚胎關節間區中最早表達的基因之一，注定會產生關節組織，包括關節軟骨、滑膜、半月板和韌帶。在整個發育過程中，表達Gdf5的祖細胞不斷被招募到關節間區，其子代在成年時仍保持骨骼關節干/祖細胞活性。關節表面損傷后，Gdf5譜系間充質基質/干細胞（MSCs）通過轉錄輔因子Yes相關蛋白（Yap）的活性增殖，支持滑膜增生并遷移至損傷部位，修復軟骨。
GDF5的功能缺失突變與先天性疾病有關，包括Hunter-Thompson綜合征、短趾型C16和DuPan綜合征。這些綜合征在短肢畸形（bp）小鼠中有部分現象復制，其攜帶GDF5編碼突變。純合子bp小鼠的膝蓋畸形缺乏十字韌帶。雜合子bp鼠，該模型模擬了導致GDF5表達降低的人類GDF5變異體，未表現出明顯的表型，但在實驗挑戰下表現出對OA的敏感性增加。
最近使用攜帶BAC轉基因小鼠的研究揭示了人和小鼠之間GDF5的保守順式調控結構?？刂瓢l育中和成人關節中GDF5表達的調控序列分布在100千堿基以上，包括其編碼外顯子的上游和下游區域。雖然Gdf5在發育中的膝關節中的表達受上游和下游調節序列的驅動，但在成人中下游調節區域是唯一使用的，這表明調節體內穩態期間成人膝關節中Gdf5/Gdf5持續表達的基因組序列可能是不同的。值得注意的是，這些下游地區存在許多膝OA的遺傳風險變體。
在本研究中，我們使用BAC Gdf5 LacZ報告小鼠來繪制與OA發展或急性軟骨損傷和修復相關的成人膝關節組織重塑過程中Gdf5的表達，并確定Gdf5表達的差異調節是否與此類事件相關。
GDF5基因座的等位基因變體與OA風險相關，表明GDF5在終身關節維護中發揮重要作用。據報道，Gdf5在小鼠和人類的成人關節軟骨中表達，在OA中表達上調。關于Gdf5表達對急性關節表面缺陷的反應，人們知之甚少，因為急性關節表面缺損在沒有修復的情況下或在OA的不同階段可能會進展為OA。這里，我們使用兩個BAC LacZ報告小鼠菌株，在重塑關節組織中顯示了Gdf5的表達，這兩個小鼠菌株具有Gdf5位置的不同但部分重疊的區域。關節表面損傷后，Gdf5在新形成的軟骨修復組織內的軟骨細胞和相鄰的應力軟骨中都高度表達。同樣，Gdf5在早期OA的軟骨中上調，特別是在初始損傷區域，并且在形成軟骨植物中檢測到。鑒于已知的Gdf5軟骨生成活性，我們的研究結果表明，Gdf5在成年損傷事件后的新軟骨形成中發揮作用，可能代表修復關節損傷的嘗試。在骨性關節炎晚期，晚期軟骨損傷區域的LacZ染色明顯減少，這與之前的研究報道的炎癥性關節炎或退行性關節炎小鼠廣泛受損軟骨中Gdf5表達減少一致。這些數據支持Gdf5在成年期關節軟骨的維護和修復中的作用，并為施用外源性Gdf5以幫助OA治療中的軟骨修復提供了理論基礎。
我們發現，Gdf5在損傷后和OA期間的表達依賴于超過30個DNA序列?Gdf5編碼區下游的kb。該下游序列包含關節特異性調節元件，并且能夠并且對于挽救小鼠的bp膝表型是必要的。重要的是，它包含許多OA的常見風險變體，其中一些存在于已知的增強子中。我們的研究結果表明，這些下游變異可能通過調節成人膝關節中Gdf5的表達來應對損傷事件，從而影響關節的維護和修復過程，從而部分導致OA風險。他們進一步表明，人類變異體（如UTR中的rs143383 SNP）的作用可能依賴于下游順式調節元件中存在的順式作用變異體，而下游順式調控元件對Gdf5的充分表達至關重要。參與修復的下游調節元件是否與參與OA發展的調節元件不同尚待確定。
識別調節Gdf5表達的分子將為關節的形成、維持和疾病提供重要的見解。據我們所知，迄今為止尚未報道，我們已經揭示了一種調節機制，將Yap活性與Gdf5表達聯系起來。在靜止的滑膜中無法檢測到Gdf5，損傷后滑膜中活化的軟骨祖細胞中Gdf5開啟，同時Yap下調。在軟骨形成的MSCs中，Yap抑制Gdf5的表達，但不抑制Wnt9a的表達，已知可誘導Gdf5表達。我們的數據表明Yap負調節Gdf5，可能是Wnt9a下游的Gdf5表示，我們建議Yap需要下調，以使Gdf5表現成為軟骨形成的主要祖細胞。實際上，Yap可阻止體外MSC軟骨分化。可能與Yap合作調節Gdf5的候選轉錄因子包括Sox，據報道可直接調節Gdf4的表達，并發現與人OA軟骨中Gdf5的表達相關，以及ZEB1，因為ZEB1結合位點存在于Gdf5啟動子區域的增強子上游，并且據報道ZEB1和Yap之間存在直接相互作用。
總之，Gdf5在應力軟骨中上調，在軟骨祖細胞中啟動，并在膝關節損傷后組織重塑過程中在新形成的軟骨中表達。這取決于下游調節序列的活動，無論損傷是急性還是慢性關節不穩定，都會發生這種情況，這表明Gdf5調節與特定的損傷事件無關。了解Gdf5在重塑、修復和OA發病機制方面的調節，將對關節表面再生治療和OA治療具有重要意義。